TWI361561B - Variable gain amplifier - Google Patents

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TWI361561B TW097130244A TW97130244A TWI361561B TW I361561 B TWI361561 B TW I361561B TW 097130244 A TW097130244 A TW 097130244A TW 97130244 A TW97130244 A TW 97130244A TW I361561 B TWI361561 B TW I361561B
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    • H03G7/06Volume compression or expansion in amplifiers having semiconductor devices

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  • Amplifiers (AREA)
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Description

1361561 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於可變增益放大器(variable gain amplifier,簡稱 VGA),特另丨J 有關於 dB 線性(linear-in-dB) 可變增益放大器。 【先前技術】 第1圖為dB線性可變增益放大器之特性示意圖。
籲在第1圖中,縱軸(vertical axis)表示dB線性可變增益放 大器之dB級增益’水平轴(horizontal axis)表示dB線性 可變增益放大器之伏特級控制電壓。dB線性可變增益放 大器之增益可以表示為&&/(Fe@=4 ‘ 。通常dB 線性可變增益放大器裝置為自動增益控制(automatic gain control,簡稱 AGC),以及在無線收發器(transceivers) 中之功率控制,硬碟讀取通道晶片中之自動增益控制, 用於高速電纜/光接收器中之類比適應濾波器(analog adaptive filter)/等化器,最大可能局部響應 (partial-response most-likelihood,PRML)讀取通道晶片’ 基於脈衝之超寬頻(ultra wide band)接收器。 由於雙極元件之電流至電壓關係為指數關係,不難 • 設計出利用雙極方法之dB線性可變增益放大器。然而’ 電晶體元件之電流為偏置電壓(bias voltage)之平方函數 (square function)。所以,比較難設計出利用互補型金氧 半(CMOS)方法之dB線性可變增益放大器。 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 5 1361561 【發明内容】 為了解決以上技術問題,本發明特提出一種可變增 益放大器。 本發明之實施例提出本發明涉及一種可變增益放大 器,該可變增益放大器具有與控制電壓成指數關係之增 益,包含指數直流轉換器,用以接收控制電壓以及產生 指數電壓,指數電壓與控制電壓成指數關係;以及線性 電壓倍增器,耦接至指數直流轉換器,具有與指數直流 轉換器之指數電壓成指數關係之增益。 上述可變增益放大器可提供與控制電壓成指數關係 之增益。而且上述可變增益放大器可以是dB線性可變增 益放大器,並且可以利用互補型金氧半方法而輕易實現。 【實施方式】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 明顯易懂,下文特舉出較佳實施例,並配合所附圖式, 作詳細說明如下: 第2A圖為根據本發明實施例之dB線性 (linear-in-dB)之可變增益放大器之方塊圖。dB線性可變 增益放大器100具有一增益與控制電壓Vctrl成指數關 係,且包含指數直流轉換器(exponential DC converter)l 10,以及線性電壓倍增器(linear voltage multiplier)120。指數直流轉換器110接收控制電壓Vctrl 並產生指數電壓Vexp,指數電壓Vexp與控制電壓VetH成 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 6 1361561 指數關係。線性電壓倍增器120耦接至指數直流轉換器 110,並具有一與指數直流轉換器110之指數電壓vexp* 指數關係之增益。線性電壓倍增器120之增益等於dB線 性可變增益放大器100之增益。更具體的說,線性電壓 倍增器120可以是吉伯特型(Gilbert-type)或是電流導引 型(current-steering type)電壓倍增器。 在第2A圖中,指數直流轉換器110包含平方律電 路(square law circuit) 111 以及電流分割器(current divider)113。平方律電路111接收控制電壓Vetd,並產生 第一電流II以及第二電流12以及產生指數電壓Vexp。第 一電流II以及第二電流12之電流比率11/ 12與控制電壓 Vctrl成比例。除此之外,指數電壓Vexp與第一電流II以 及第二電流12之電流比率11/ 12成比例。除此之外,電 壓緩衝器121,位準偏移器123或是單端至差動轉換器 125耦接於指數直流轉換器110與線性電壓倍增器120之 間,具體可分別參考第2B圖,第2C圖以及第2D圖。 具體的說,平方律電路111包含差動控制電壓產生 器以及差動電路,差動電路耦接於差動控制電壓產生 器。第3A圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動控 制電壓產生器之示意圖。差動控制電壓產生器300包含 差動放大器310以及電阻對R1以及R2。差動放大器310 之反相輸入(inverting input)311以及正相輸入31Γ藉由電 阻R1分別接收控制電壓Vetrl以及參考電壓Vref。差動放 大器310之反相輸入311以及正相輸入31 Γ藉由電阻R2 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 7 1361561 分別搞接於正相輸出313以及反向輪出313'。差動控制 電壓產生器300分別於差動放大器310之正相輸出313 以及反相輸出313'產生差動控制電壓v〇+Vx以及 Vo-Vx。第3B圖為差動控制電壓產生器300之特徵示意 圖。縱轴表示差動控制電壓Vo+Vx以及Vo-Vx之電壓 位準,水平軸表示控制電壓Vctrl之電壓位準。在第3B圖 中,當控制電壓Vctrl等於參考電壓Vref時,差動控制電 壓均等於Vo。
第3C圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 電路之示意圖。差動電路320耦接於供電電壓(supply voltage)Vdd與接地GND之間。差動電路320之每一半電 路321/32Γ包含N通道金氧半電晶體(NMOS)Ml/M2,電 流鏡(current mirror)330/330f以及電流源I。。在差動電路 320之每一半電路321/32Γ中,電流鏡330/33(T耦接於N 通道金氧半電晶體Μ1/Μ2之汲極325/325、除此之外, 電流源I。也耦接於Ν通道金氧半電晶體Μ1/Μ2之汲極 325/325〜因此’電流鏡330/33(Τ根據Ν通道金氧半電晶 體電流Ιμι/Ιμ2以及來自電流源I。之電流產生輸出電流 11/12。Ν通道金氧半電晶體電流以及ιΜ2可分別表示 Α !μχ = \κ{ν〇 + νχ-ν,„γ j =LK(y〇-Vx-Vlh)2 ., 為 2 以及 2、 ^ , 其中 ^βοχ^Τγ)\,2
K 其中Vth,以及表示k的參數均為電晶體之 特性’任何熟悉此項技藝者應能了觯其含意,故不贅述。 所以’輸出電流II β及12之間之比率可以表示為 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 8 1361561 ^I^^UaVXf k=__2I0 JU2+I0 k + {\-aVxf F ,其中 K(Vo-Vth)2 以反 a = -J_ 八
Vo-Vth 〇 具體的說,電流分割器113包含電流至電壓轉換器410 以及電壓控制電阻420,電壓控制電阻420耦接至電流至 電壓轉換器410並由其控制,如第4A圖所示。第4B圖 為第4A圖中之電壓控制電阻420之電路示意圖。在第 4B圖中,N通道金氧半電晶體T2以及M4以及P通道金 ® 氧半電晶體M6疊接(cascoded)於供電電壓Vdd與接地 GND之間,且金氧半電晶體M6之汲極與金氧半電晶體 M4之閘極連接。除此之外,N通道金氧半電晶體T1以 及M3以及p通道金氧半電晶體M5疊接於供電電壓Vdd 與接地GND之間,且金氧半電晶體M5之閘極與金氧半 電晶體M3之汲極連接。N通道金氧半電晶體M4以及P 通道金氧半電晶體M5為等效二極體(diode-connected)。!》 • 通道金氧半電晶體M5以及M6之閘極相連以及N通道金 氧半電晶體M3以及M4之閘極相連。P通道金氧半電晶 體M5以及]vi6操作於飽和(saturation)模式且電流鏡之比 率為1。N通道金氧半電晶體M3以及M4也操作於飽和 模式以保證VGS4=VGS3,以致Vs4=Vs3以使得 • Vds2=Vds1,其中VGS表示電晶體閘極與源極之間的電 壓’則VGS4表示電晶體M4閘極與源極之間的電壓,Vs 表示電晶體源極電壓,Vs4表示電晶體M4源極電壓,VDS 表示電晶體汲極與源極之間的電壓,VDS2表示電晶體 M2汲極與源極之間的電壓,其他依此類推。n通道金氧 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 9 1361561 半電晶體T1以及T2操作於三極區(triode region)。N通 道金氧半電晶體T1以及T2之電流可以分別表示為 in = ^(2(^ι - vCND - vTjvDSi - vDSi2) = h +1, = ^(2(^2 - vcm - vTn2)vDS2 - vDS22) w 工从命沽 m 2 。從刖面的電流等式可 得知4 = A ^052,其中V<3表示閘極電壓。 第4C圖為第4Α圖中之電流至電壓轉換器410之電 路圖。電流至電壓轉換器410包含Ρ通道金氧半電晶體
Μ7以及Μ8疊接於供電電壓Vdd與接地GND之間,金氧
半電晶體M7之閘極與金氧半電晶體M8之源極連接。P 通道金氧半電晶體M7以及M8相同,匹配且為等效二極 體。除此之外,P通道金氧半電晶體M8之閘極接地。如 果Vds8表不為
之電流可以分別表示為 P通道金氧半電晶體M7以及M8 i,=\k(vG51-v^ = 1-k(^-vy-v^ h =jK(VGSS - νιΗγ + Vr- VJ2 從之前之Ρ通道金氧半電
晶體 Μ7 以及 Μ8 之電流等式可以得知 DD ' /0=/8-/7=π·(心以及匕=(%—1
當電流至電壓轉換器410以及電壓控制電阻結合後 ,可以構建如第4Α圖所示之電流分割器。在第4Α圖中 ,N通道金氧半電晶體T1之閘極連接於兩等效二極體P
^OD 通道金氧半電晶體之間,因此閘極電壓等於I。除此之 外,N通道金氧半電晶體T2之閘極連接於P通道金氧半 T, Kp(VDD-2Vth) /, 電晶體M8之汲極。所以,可以得到 /2。換 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 10 1361561 句話說,VDS2可以用作與電流比率I1/I2成比例之指數電 壓。 本發明提供dB線性可變增益放大器之結構。利用 此結構,dB線性可變增益放大器可以利用互補型金氧半 (CMOS)方法而輕易實現。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用 以限定本發明,任何熟悉此項技藝者,在不脫離本發明 之精神和範圍内,當可做些許更動與潤飾,因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖為dB線性VGA之特性示意圖。 第2A圖為根據本發明實施例之dB線性之可變增益 放大器之方塊圖。 第2B圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第2C圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第2D圖為根據本發明另一實施例之dB線性之可變 增益放大器之方塊圖。 第3A圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 控制電壓產生器之示意圖。 第3B圖為差動控制電壓產生器300之特徵示意圖。 第3C圖為根據本發明實施例之平方律電路之差動 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 11 1361561 電路之不意圖。 第4A圖為本發明實施例之電流分割器之電路示意 圖。 第4B圖為第4A圖中之電壓控制電阻420之電路示 意圖。 第4C圖為第4A圖中之電流至電壓轉換器410之電 路圖。
【主元件符號說明】 100〜dB為線性可變增益放大器; 113〜電流分割器; 120〜線性電壓倍增器; 123〜位準偏移器; 311〜反相輸入; 313〜正相輸出; 310〜差動放大器; 321/32Γ〜電路; 325/325^ 汲極; 420〜電壓控制電阻。 111〜平方律電路; 110〜指數直流轉換器; 121〜電壓緩衝器; 125〜差動轉換器; 300〜差動控制電壓產生器; 311 正相輸入, 313^反相輸出; 320〜差動電路; 330/330'〜電流鏡; 410〜電流至電壓轉換器; 0758D-A33209TWF;MSLI-07-002 12

Claims (1)

1361561 - •'第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4曰修正替換頁 十、申請專利範圍: 1. 一種可變增益放大器,該可變增益放大器具有與一 控制電壓成指數關係之增益,該可變增益放大器包含: 一指數直流轉換器,用以接收該控制電壓以及產生一 指數電壓,該指數電壓與該控制電壓成指數關係;以及 一線性電壓倍增器,耦接至該指數直流轉換器,具有 ' 與該指數直流轉換器之該指數電壓成指數關係之增益,其 中該指數直流轉換器包含: 一平方律電路,用以接收該控制電壓並產生一第一電 流以及一第二電流;以及 一電流分割器,用以接收該第一以及第二電流,並產 生該指數電壓; 其中,該第一電流以及該第二電流之間一電流比率與 該控制電壓成指數關係,且該指數電壓與該第一電流以及 該第二電流之間該電流比率成比例。 2. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器,更 包含一電壓緩衝器,一位準偏移器或是一單端至差動轉換 器,耦接於該指數直流轉換器以及該線性電壓倍增器之間。 3. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器,其 中該線性電壓倍增器為吉’伯特型或是電流導引型電壓倍增 器。 4. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器,其 中該平方律電路包括: 一差動控制電壓產生器,用以根據該控制電壓以及一 0758D-A33209TWFI (20111109) 13 1361561 -; 第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4日修正替換頁 參考電壓而產生一差動控制電壓對;以及 一差動電路,耦接至該差動控制電壓產生器,用以根 據該差動控制電壓對而產生該第一以及第二電流。 5. 如申請專利範圍第4項所述的可變增益放大器,其 中當該控制電壓相同於該參考電壓時,該等差動控制電壓 彼此相等。 6. 如申請專利範圍第1項所述的可變增益放大器,其 中該電流分割器包括: 一電流至電壓轉換器,用以產生對應於該第二電流之 一電壓;以及 一電壓控制電阻,耦接至該電流至電壓轉換器,用以 根據該第一電流以及對應於該第二電流之該電壓而產生該 指數電壓。 7. —種可變增益放大器,該可變增益放大器具有與一 控制電壓成指數關係之增益,該可變增益放大器包含、 一指數直流轉換器,用以根據一第一電流以及一第二 電流而產生一指數電壓,其中該指數電壓與該控制電壓成 指數關係,以及該第一電流以及該第二電流之間一電流比 率與該控制電壓成指數關係,其中該指數直流轉換器包含: 一平方律電路,用以接收該控制電壓並產生該第一電 流以及該第二電流;以及 一電流分割器,耦接至該平方律電路,用以接收該第 一以及第二電流,並產生該指數電壓;以及 一線性電壓倍增器,耦接至該指數直流轉換器,具有 0758D-A332〇9TWFH201in〇9) 14 I36L561 - •'第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4日修正替換頁 與該指數直流轉換器之該指數電壓成指數關係之增益。 8. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器,更 包含一電壓緩衝器,一位準偏移器或是一單端至差動轉換 器,耦接於該指數直流轉換器以及該線性電壓倍增器之間。 9. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器,其 中該線性電壓倍增器為吉伯特型或是電流導引型電壓倍增 器。 10. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器,其 中該指數電壓與該第一電流以及該第二電流之間該電流比 率成比例。 11. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器,其 中該平方律電路包括: 一差動控制電壓產生器,用以根據該控制電壓以及一 參考電壓而產生一差動控制電壓對;以及 一差動電路,耦I接至該差動控制電壓產生器,用以根 據該差動控制電壓對而產生該第一以及第二電流。 12. 如申請專利範圍第11項所述的可變增益放大器, 其中當該控制電壓相同於該參考電壓時,該等差動控制電 壓彼此相等。 13. 如申請專利範圍第7項所述的可變增益放大器,其 中該電流分割器包括: 一電流至電壓轉換器,用以產生對應於該第二電流之 一電壓;以及 一電壓控制電阻,耦接至該電流至電壓轉換器,用以 0758D*A33209TWFH20111109) 15 1361561 - 第97130244號之申請專利範圍修正本 101年2月4曰修正替換頁 根據該第一電流以及對應於該第二電流之該電壓而產生該 指數電壓。 0758D-A33209TWF1 (20111109) 16
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